蛋白质-高分子共聚物颗粒稳定双水相乳液及其制备碳酸钙微球的研究

发布时间：2020-10-09 18:07

　　水包水乳液是由两种互不相容的亲水性聚合物的水溶液以一定比例混合形成,具有使用方便、绿色环保以及生物相容性高等优点,可广泛应用于人工模拟细胞、制作功能材料、封装和递送药物等领域。然而,水包水乳液极低的界面张力(10~(-6) N/m)和大的界面厚度(几纳米),使制备稳定的水包水乳液变得非常困难。将具有生物活性的蛋白质颗粒自组装于乳液界面,形成一层空间屏障阻止乳液液滴的聚并,不仅可以稳定水包水乳液,而且能够作为一种活性物质参与反应。本论文基于蛋白质-高分子团聚机制的研究,制备了一种具有生物活性的蛋白质-高分子共聚物颗粒用于稳定水包水乳液,强化了双水相体系的酶促反应,并开展了其在制作功能材料中的应用基础研究。在制备具有生物活性的蛋白质颗粒部分,本论文研究了甲氧基聚乙二醇(mPEG)-蛋白质共聚物颗粒的生长机理。作者通过甲氧基聚乙二醇乙醛(mPEG-ALD)修饰蛋白质增加其相对疏水性,在一定pH值和较高蛋白质浓度下通过恒温37 ~oC干燥制备得到具有生物活性的蛋白质颗粒。在整个生长过程中,无任何刺激性试剂的添加,都是在温和的条件下进行。我们以牛血清白蛋白(BSA)为标准蛋白,分别研究了pH、组分浓度和反应时间对蛋白质颗粒的影响。研究表明,通过改变体系的pH值和干燥方式,可以有效地控制mPEG-蛋白质共聚物颗粒的形貌和结构;组分浓度和反应时间会影响蛋白质颗粒的粒径,当组分浓度增高或反应时间延长时,蛋白质颗粒粒径会随之增大;经过PEG化修饰之后,mPEG-BSA共聚物颗粒的等电点(pI)由4.7减小到4.2左右。此外,通过脲酶酶活测定实验,我们推测使用该方法制备的蛋白质颗粒至少保留了80%以上的活性。该研究成果在食品、化妆品和生物医学等领域具有潜在的应用前景。在水包水乳液稳定性研究部分,基于皮克林(Pickering)乳液稳定机理,作者通过调节蛋白质颗粒的制备条件,获得了具有合适粒径和浸润性的蛋白质颗粒用于稳定聚乙二醇-葡聚糖的双水相乳液,并通过将具有活性的mPEG-脲酶颗粒锚在水包水乳液界面上,缩短了传质距离,强化了双水相酶促反应。首先,我们定制了粒径约为300 nm左右且浸润性性为90~o左右的球形mPEG-BSA共聚物颗粒,并将其用作稳定水包水乳液,相比普通水包水乳液取得了较好的稳定效果;研究结果证明,蛋白质颗粒浓度会影响水包水乳液液滴的尺寸和稳定性,随着蛋白质颗粒浓度的增高,乳液液滴直径减小,乳液的聚并稳定性提高;通过调节双水相的组分浓度,可以制备出Dex-in-PEG和PEG-in-Dex两种类型的乳液;pH值对水包水乳液的稳定性也有一定的影响,在pH=4,5和9时,水包水乳液的稳定性较高。通过在水包水乳液中脲酶酶活测定实验可以发现,将具有活性的mPEG-脲酶颗粒锚在水包水乳液界面上,可以强化双水相酶促反应。该研究成果对于生物医学和酶促反应等生命科学领域具有广阔的应用前景。在水包水乳液制作功能材料部分,作者以mPEG-脲酶颗粒稳定的水包水乳液为模板,利用生物矿化技术制备了形貌均一可控的碳酸钙微球,可作为蛋白质等活性物质的载体。通过研究发现,我们以Dex-in-PEG和PEG-in-Dex两种乳液为模板,分别制备了粒径在15μm左右且球形度较好的碳酸钙微球,可用于不同性质生物大分子的封装;碳酸钙微球的形貌与乳液稳定性有关,当酶颗粒稳定的乳液成乳后立即矿化反应,可得到花生状碳酸钙颗粒;当成乳后静置一段时间直至乳液稳定再矿化,所得到的碳酸钙为球形颗粒;通过扫描电子显微镜(SEM)的观察,可以发现碳酸钙微球呈现阶层结构,由平整厚实的棱柱状碳酸钙晶体和纳米碳酸钙颗粒堆积的表面两部分构成的。通过封装FITC-BSA的实验,证明碳酸钙微球拥有很好的封装性。该研究成果不仅为蛋白质等活性物质提供了一个良好的载体,而且为功能材料的制备提供了借鉴和思路。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

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种液体以微小液滴形式分散于另一种液体所形成的热力学不稳定的分散体。在静态时，乳液液滴会逐渐聚并直至形成两个明显的宏观相。通过添加可吸附于乳液界面的表面活性剂或固体颗粒，可以阻止液滴的聚并，来使乳液达到稳定状态。绝大多数乳液来说，这两种互不相溶的液体一般是油和水，根据乳液液滴内外相同，可分为油包水（w/o）和水包油（o/w）两种类型的乳液。然而，除了上述常油-水乳液外，两种互不相溶的水溶液也可以产生乳液。水包水乳液是由两种互不相溶的亲水性聚合物的水溶液以一定比例混合形成[1]未添加稳定剂时最终会形成两个互不相溶的宏观相，也就是“双水相系统”[2]（图a）），因此水包水乳液也可被称为“双水相乳液”（图 1-1（b）），图 1-1（c）为水包液在显微镜下的照片。由于水包水乳液的溶剂只有水，不含任何有机试剂和表面剂，因此它具有无毒、生物相容性好、绿色环保等优点，可广泛应用于生物大分隔室化[3, 4]、人工模拟细胞[5]、生物矿化[6, 7]、封装和递送生物活性物质[8, 9]、制作材料[10-12]等领域中。

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水乳液形成及稳定机理乳液的形成及稳定可追溯到双水相的相行为[13]。如图 1-2（引自文（分子量为 500 kDa）和聚乙二醇（分子量为 6 kDa）混合形成的，双节线将其分成了两个区域：单一相和双水相。在双节线下方二醇的浓度不够，两种溶液的相互作用力不足以使之分相，因此，无法形成水包水乳液；在双节线上方，即葡聚糖和聚乙二醇的混合溶液在静置一段时间后会形成互不相溶的两相，即双水相，能得到水包水乳液。其中，分相后体积分数较小的一相成为内相积分数较大的一相成为外相，也就是连续相。当两种组分的体积，会发生转相行为。然而，水包水乳液拥有极低的表面张力（10-6面厚度（几到十几纳米）[17, 18]，这对于稳定水包水乳液来说是此，寻找合适的水包水乳液稳定剂是一个持续的挑战。

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西南交通大学硕士研究生学位论文第 16 这样的结合可增加蛋白质共聚物的粒径和相对疏水性[117]。此外，在非变性条件下，响蛋白质团聚的因素有蛋白质浓度、蛋白质表面净电荷及温度等。受此启发，我们过席夫碱反应将 mPEG-ALD（甲氧基聚乙二醇乙醛）接枝于蛋白质表面，并在一定 p值和较高蛋白质浓度下通过恒温 37oC 干燥制备具有生物活性的蛋白质颗粒。此外mPEG 作为一种常见的大分子修饰剂，具有良好的水溶性和生物相容性[36]，并且通临床批准[55]。通过 mPEG 修饰蛋白质分子，可以有效地提高蛋白质药物的稳定性和效[118]，这对于生物医学、化妆品等领域具有潜在的用途。

【参考文献】